9.11:
形式電荷
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形式電荷
場合によっては、分子や多原子イオンには2つ以上の有効なルイス構造があるように見えることがあります。複数の有効なルイス構造が存在する場合、形式電荷の概念を用いて、最も適切なルイス構造を予測することができます。
形式電荷の計算
分子内の原子の形式電荷とは、結合中の電子が原子間で均等に分配された場合に原子が持つであろう仮定の電荷のことです。また、中性原子の価電子の数から、まず非結合電子を減らし、次にその原子に結合しているルイス構造の結合の数を引くと、形式電荷が生じます。
したがって、形式電荷は次のように計算されます。
形式電荷の計算は、構造全体の形式電荷の合計を求めることで、再確認することができます。分子内のすべての原子の形式電荷の合計はゼロでなければならず、イオンの形式電荷の合計はイオンの電荷と等しくなければなりません。原子について計算された形式電荷は、分子内の原子の実際の電荷ではないことを覚えておいてください。形式電荷は、便利な机上の手続きに過ぎず、実際の電荷の存在を示すものではありません。
ルイス構造から形式電荷を計算
以下の手順に従って、ハロゲン間イオンICl4−の各原子に正式な電荷を割り当てます。
手順 1 ： 結合電子ペアをすべての I – Cl 結合に対して均等に分割します。
手順 2 ：原子に 1 対の電子を割り当てます。 各塩素原子には 7 つの電子が割り当てられ、ヨウ素原子には 8 つの電子が割り当てられています。
手順 3 ： 中性原子の価電子の数からこの数を減算します。
ヨウ素： 7 – 8 = – 1
塩素： 7 – 7 = 0
すべての原子の形式電荷の合計は -1 で、これはイオンの電荷（ -1 ）と同じです。
分子構造を予測するために形式電荷を使用する
分子やイオンの中の原子の配置を分子構造といいます。多くの場合、ルイス構造を書く手順に従うと、複数の異なる結合や一対電子の配置、あるいは異なる原子の配置など、複数の可能性のある分子構造になることがあります。例えば、複数の異なる結合や一対電子の配置、異なる原子の配置などです。形式電荷に関するいくつかのガイドラインは、特定の分子やイオンについて、可能性のある構造のうちどれが最も可能性があるかを決定するのに役立ちます。
- すべての形式電荷がゼロである分子構造は、いくつかの形式電荷がゼロではない分子構造よりも好ましいです。
- ルイス構造が非ゼロの形式電荷を持たなければならない場合、非ゼロの形式電荷が最小の配列が望ましいです。
- ルイス構造は、隣接する形式電荷がゼロまたは逆符号の場合に適しています。
- 形式電荷の分布が似ている複数のルイス構造から選択する場合、より電気陰性な原子に負の形式電荷がある構造が望ましいです。
これらのガイドラインがどのように適用されるかを見るために、二酸化炭素（CO2）の構造をいくつか考えてみましょう。一般的に、電気陰性度の低い原子が中心の位置を占めることが知られていますが、形式電荷は、これがなぜ起こるのかを理解するのに役立ちます。中央の炭素が2つの二重結合を持つ構造、中央の炭素が単結合と三重結合を持つ構造、中央の酸素が二重結合を持つ構造の3つの可能性を描くことができます。
3つの形式電荷を比較すると、左の構造は形式電荷がゼロだけなので、好ましい構造であることがわかります。
別の例として、炭素原子、窒素原子、硫黄原子から形成されるイオンであるチオシアン酸イオンは、3つの異なる分子構造を持つことができます。NCS-、CNS-、CSN-。これらの分子構造に含まれる形式電荷は、最も可能性の高い原子の配置を選ぶのに役立ちます。チオシアネートイオンの3つの可能な構造について、考えられるルイス構造とそれぞれの形式電荷は、中心に二重結合を持つ炭素、中心に二重結合を持つ窒素、中心に二重結合を持つ硫黄です。
なお、いずれの場合も、形式電荷の合計はイオンの電荷（-1）と等しいです。しかし、炭素を中心とした最初の原子配列が好ましいのは、ゼロでない形式電荷を持つ原子の数が最も少ないからです。また、最も電気陰性度の低い原子を中心に置き、より電気陰性度の高い元素に負電荷を与えることができます。
本書は 、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Chapter 7.4 Formal Charges and Resonance から引用したものです。